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莱顿弗罗斯特效应及其在水性压铸脱模剂中的应用

莱顿弗罗斯特效应及其在水性压铸脱模剂中的应用
定义
莱顿弗罗斯特现象(Leidenfrost Phenomenon)是指液体不会润湿炙热的表面,而仅仅在其上形成一个蒸汽层的现象,由科学家莱顿弗罗斯特在1756年发现。

现象
把水滴落在滚烫的铁板上,假如铁板的温度仅高于水的沸点(100°C),水会发出嘶嘶声并迅速沸腾。

但当铁板到达莱顿弗罗斯特点(Leidenfrost point)时,水便会产生莱顿弗罗斯特现象。

水珠会在铁板四处滚动,并缓慢地逐渐蒸发,反而令水珠可以存在更久。

在莱顿弗罗斯特现象下,水珠中跟铁板接触的部分会迅速沸腾形成水蒸气,与此同时水珠尚保持液体的状态,由于水蒸气的传热比液体水慢得多,蒸气层阻隔水直接接触滚烫铁板并大大降低水滴沸腾的速度。

水的莱顿弗罗斯特点会随着水中含有的杂质、滚烫物件的材质、水的温度等而改变,粗略量度下水在平底锅的莱顿弗罗斯特点为约193°C。

理论
莱顿弗罗斯特点标示出了进行稳定之薄膜沸腾(film boiling)所需之最低温度,指的是在沸腾曲线上热流(heat flux)达最低之一点,同时,液体与热烫表面之接触面完全为蒸气层(vapor blanket)所覆盖,而此时从热烫表面向液体所进行之热传导是透过此蒸气层以传导(conduction)及辐射(radiation)的方式完成。

1756年,莱顿弗罗斯特观察到,当热烫表面上的小水滴四处跳动时,水滴的蒸发速度缓慢。

随着表面温度再度提高,热辐射的效应会变得比热传导更为显著,因此这时再提高温度,热流会上升。

一水平表面之热流最低点可由Zuber's equation推导而来
其数值是由饱和温度所决定。

其中C为Zuber常数,于适当的压力之下大部分的液体C值约为0.09。

在水性压铸脱模剂中的应用
不是所有的脱模剂都同样可以在热模具表面形成良好的均匀的膜。

脱模剂在热的模具表面润湿及铺展的能力取决于模具温度和脱模剂的成分。

水基脱模剂通常有一个最大的可接受的模温(燃烧温度),使其润湿和铺展性能最好。

当模温较高,在莱顿弗罗斯特效应(Leidenfrost effect)温度以上时,脱模剂就不能有效润湿表面。

该效应指当液体的温度远远地超过它的沸点(如水在200℃-300℃)时,液体表面与汽相间会形成一薄层,液滴可漂浮于该层并在其中作无规则的滑动.这种现象称为“莱顿弗罗斯特效应。

对于给定脱模剂其燃烧温度Leidenfrost温度取决于许多变量,包括脱模剂成分,喷射压力,角度及数量。

气体压力和脱模剂浓度的影响较小。

尽管脱模剂的喷涂参数如流体压力,喷涂角度和强度也影响润湿和铺展性能,但成分起最重要的作用。

模具表面温度是影响吸附效果的重要因素.太高太低都降低吸附效果。

对于给定的模温,考虑对膜的形成影响因素包括液滴的冲击,润湿模具表面,铺展形成连续的膜,防止后续喷涂的冲刷等。

此外还有许多变量影响膜的形成。

包括喷涂速度,喷枪与模具表面的角度,流体压力,喷涂强度,对已形成的膜的喷涂角度等。

脱模剂化学应用技术的首要目标是在型腔表面形成最有效的膜。

其次是达到最优化的模具冷却及最少的废物残留。

喷涂设备的不断改进和新脱模剂的应用技术使模具润滑更接近优化。

通过在压铸机上试验来选择脱模剂是传统的检验方法。

如果新的脱模剂能把老问题解决就采用新的。

在保留传统方法的同时,也出现了一些科学的显示方法。

如在模具上安放热电偶或用红外测量装置测量并显示模具在任何时间的温度。

在生活中的应用
徒手掐灭火焰:当液体遭遇极度炙热时就将化作一层绝缘的气态防护层。

当你用湿手指掐灭蜡烛时正是依靠着这层蒸汽层的保护。

只要有充分的条件,人人都可做到这点(就如同有了防火墙一般)。

赤脚过炭火球:在传统的过火仪式,参加者会先沾湿双脚,由于莱顿弗罗斯特现象令水不会快速升温,使得热不容易传到人们的脚,即使人们走在火堆之上,只要不长时间接触炭火,也不易被烧得火红的炭火烫伤。

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